CN108999260A - 一种屋面垂直流生物滞留池及错层布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种屋面垂直流生物滞留池及错层布置方法，包括：高层屋面排水管，设置在建筑物的较高层屋面上，用于收集冲刷高层屋面的雨水，将雨水引流至生物滞留池；生物滞留池，设置在稍低高层的屋面上，用于对雨水进行净化、过滤；过滤雨水收集管道，用于收集净化、过滤后的雨水，若过滤后的雨水不符合水质要求，收集排往更低一层屋面上布置的另一个生物滞留池；若符合要求，雨水通过管道流往储水设备储存待用、流至地下管网或补给地下水。错层布置方法包括：在错层建筑物的楼层之间布置屋面垂直流生物滞留池，屋面垂直流生物滞留池在不占用地面面积的基础上，处理冲刷错层建筑屋面的雨水水质，降低雨水排放污染程度，有利于错层建筑物的绿化。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程、环境工程领域，尤其涉及一种屋面垂直流生物滞留池及错层布置方法。
背景技术
流域的城市化带来了城市河流综合征，其症状包括：流量改变、河流形态改变、水质和沉积物质量受损、生物组成的转变等等。城市河流综合征产生的原因，其中之一是城市建设，道路、屋顶等不透水面替换了城市化前的透水草地和土地[1]。为改善城市化对雨水排放、水质恶化等问题，我国积极推进海绵城市建设。建设海绵城市是一种基于低影响开发(Low Impact Development,LID)理念的雨水管理方法，指的是通过源头控制理念，在模拟自然水文条件原理的条件下，从而实现雨水控制与利用[2]。
近年来国内外兴起的生物滞留池就是低影响开发的一种技术手段。生物滞留池是一种小型雨水处理设备，也被称为雨水花园，主要通过植物、填料和土壤等的共同作用过滤净化水质，达到恢复渗透、改善水质、雨水利用的目的，包括：降解、过滤、吸附、离子交换和各种生物过程[3]。雨水在冲刷屋顶后，会携带大量污染物和病菌细菌，如总固体悬浮颗粒、NO3-、SO4 2-、Al、假单胞菌和军团菌[4]、大肠杆菌[5]等。但雨水在通过生物滞留池的净化后，污染降低，水质明显提升，可直接补充地下水源，或连接地下管网收集作其他利用，如农业灌溉、花园绿化、厕所用水等。根据现有的生物滞留池研究和布置实例，绝大对数的生物滞留池布置在停车场路面、道路两侧绿化区域以及房屋旁的地面，用于收集和处理冲刷停车场、道路和屋面的雨水，其中处理屋面雨水的生物滞留池布置在与地面同一高度的地面上，而非布置在屋顶。
参考文献
[1]Askarizadeh A,Rippy M A,Fletcher T D,et al.From Rain Tanks toCatchments:Use of Low-Impact Development To Address Hydrologic Symptoms ofthe Urban Stream Syndrome[J].Environmental Science&Technology,2015,49(19):11264-11280.
[2]王建龙，车伍，易红星.低影响开发与绿色建筑的雨水控制利用[J].工业建筑，2009，39(3)：123-125.
[3]Davis A P.Field Performance of Bioretention:Water Quality[J].Environmental Engineering Science,2007,24(8):1048-1064.
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发明内容
本发明提供了一种屋面垂直流生物滞留池及错层布置方法，本发明通过在错层建筑物屋面上布置生物滞留池，过滤、净化冲刷错层屋面的雨水，从而在不占用地面面积的情况下，实现雨水水质的处理，同时提高建筑物的绿化面积，有利于美观，详见下文描述：
一种屋面垂直流生物滞留池，所述屋面垂直流生物滞留池包括：高层屋面排水管、生物滞留池、以及过滤雨水收集管道，
所述高层屋面排水管，设置在建筑物的较高层屋面上，用于收集冲刷高层屋面的雨水，将雨水引流至生物滞留池；
所述生物滞留池，设置在稍低高层的屋面上，用于对雨水进行净化、过滤；
所述过滤雨水收集管道，用于收集净化、过滤后的雨水，若过滤后的雨水不符合水质要求，继续收集排往更低一层屋面上布置的另一个生物滞留池，进一步进行水质净化；
若符合水质要求，根据后期使用需求，过滤雨水收集管道中的雨水通过管道流往储水设备储存待用、流至地下管网或直接补给地下水。
所述生物滞留池包括：覆盖层、过滤层、过渡层、排水层、排水盲管、植物、以及溢流管道。
一种用于屋面垂直流生物滞留池的错层布置方法，所述错层布置方法包括以下步骤：
在错层建筑物的楼层之间布置屋面垂直流生物滞留池，
所述屋面垂直流生物滞留池在不占用地面面积的基础上，处理冲刷错层建筑屋面的雨水水质，有效利用雨水，降低雨水排放污染程度，同时有利于错层建筑物的绿化。
所述在错层建筑物的楼层之间布置屋面垂直流生物滞留池具体为：
根据需要处理的屋面雨水地点以及错层建筑的楼层分布，确定生物滞留池所处理的雨水区域和布置位置；
将生物滞留池布置在较高层楼层的高层屋面排水管的末端下方，若场地限制，则需外加管道或对高层屋面排水管进行改造，将高层屋面排水管中的雨水引至生物滞留池位置。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)生物滞留池可以过滤、净化雨水，提高雨水水质和利用率，如厕所冲洗、绿地浇灌、农业浇灌，或直接排至地下，补给地下水；
(2)错层布置方法有利于节省错层建筑物的生物滞留池布置面积，巧妙利用错层建筑物的结构，不占用地面，同时增加建筑物的绿化面积，有利于建筑美观；
(3)首次提出在错层建筑物的楼层之间布置生物滞留池，将建筑风格与雨水处理设备巧妙结合，减少屋面排水管道的长度，绿化屋顶。
附图说明
图1为屋面生物滞留池设备的结构示意图；
图2为生物滞留池内部构造的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：高层屋面排水管； 2：生物滞留池；
3：过滤雨水收集管道；
2-1：覆盖层； 2-2：过滤层；
2-3：过渡层； 2-4：排水层；
2-5：排水盲管； 2-6：植物；
2-7：溢流管道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
错层建筑是近年来兴起的一种房屋建筑风格，指的是一户内楼面混凝土结构有两个或者多个不同的高度，错开之处有楼梯联系，具有动静分区、富有时尚感、层次感和空间感等优点。
本发明实施例将生物滞留池的布置与错层建筑风格相结合，在错层建筑屋顶设置生物滞留池，处理冲刷错层建筑屋面的雨水，结构简单，外观优美。利用屋顶布置生物滞留池，不占用地面积，在过滤净化雨水、改善水质的同时增加建筑的绿化，具有高效、环保、美观等作用。
实施例1
一种屋面垂直流生物滞留池，参见图1，该屋面垂直流生物滞留池包括：高层屋面排水管1、生物滞留池2、以及过滤雨水收集管道3。
高层屋面排水管1，设置在建筑物的较高层屋面上，用于收集冲刷高层屋面的雨水，将雨水引流至生物滞留池2；
生物滞留池2，设置在稍低高层的屋面上，用于对雨水进行净化、过滤；
其中，雨水由于重力作用，自上而下以垂直流的形式进行净化、过滤。
过滤雨水收集管道3，用于收集净化、过滤后的雨水，若过滤后的雨水不符合水质要求，可继续收集排往更低一层屋面上布置的另一个生物滞留池2，进一步进行水质净化；若符合水质要求，可根据后期使用需求，过滤雨水收集管3中的雨水通过管道流往储水设备储存待用、流至地下管网或直接补给地下水。
参见图2，该生物滞留池2包括：覆盖层2-1、过滤层2-2、过渡层2-3、排水层2-4、排水盲管2-5、植物2-6、以及溢流管道2-7。
(1)该生物滞留池2的工作原理如下：
雨水冲刷高层屋面后，通过高层屋面排水管1排出高层屋面，流入生物滞留池2。雨水由于重力作用，自上而下以垂直流的形式依次通过覆盖层2-1、过滤层2-2、过渡层2-3、排水层2-4，通过排水盲管2-5流出生物滞留池，完成雨水的过滤和净化。流出生物滞留池2的雨水进入雨水收集管道3，根据雨水的后期使用要求，流入管道、设备或地下。
生物滞留池2中的覆盖层2-1、过滤层2-2、过渡层2-3、排水层2-4、排水盲管2-5、植物2-6和溢流管道2-7的作用分别为：
覆盖层2-1：作用是①保护生物滞留池的填料(包括过滤层2-2、过渡层2-3、排水层2-4、排水盲管2-5)和植物2-6，防止雨水冲刷导致填料变形和水土流失；②保证土壤有足够的含水率，植物更好地生长；③潮湿的土壤环境也能使微生物可以更有效地进行生物化学反应，提高净水效果。
过滤层2-2：是填料中最重要的一层，滤层中含有种植土壤、微生物，主要作用是①生物滞留池2的过滤、净化、吸附、降解功能基本在此层完成；②植物根系一般埋于此层，因此过滤层为植物提供良好适合的生长环境；
过渡层2-3：作用是①防止过滤层中的填料进入排水层造成管道堵塞和水土流失，保护排水层中的盲管；②均匀传递从过滤层向下传递的压力；
排水层2-4：作用是①排出经过生物滞留池过滤的雨水；②排水盲管2-5铺设在排水层中，因此排水层还具有保护排水盲管的作用，如避免外形尖锐的污染物对排水盲管2-5的切割；
排水盲管2-5：作用是保持生物滞留池2中的水土平衡，排出设备中多余的水，使净化的雨水可以顺利排出生物滞留池2；
植物2-6：植物是生物滞留池的重要组成部分，其功能和特点包括：①吸附、富集污染物；②有利于微生物生存；③提供氧气和能量，保持生态系统稳定；④积累有机物；
溢流管道2-7：为防止从高层屋面排水管流入的雨水和直接降落在生物滞留池中的雨水总和大于生物滞留池的雨水处理容量，导致雨水漫溢，污染生物滞留池周围的区域，在超过覆盖层一定高度设置溢流管道，排出多余雨水。排出的雨水可以连接排水管道、或暂时储存以备后续净化。
本发明实施例公开的屋面垂直流生物滞留池在不占用地面面积的基础上，处理冲刷错层建筑屋面的雨水水质，有效利用雨水，降低雨水排放污染程度，同时有利于错层建筑物的绿化。
(2)装置尺寸
装置尺寸应考虑错层建筑所处地理位置、当地气候、错层屋面尺寸、排水管道数量、水质处理指标等因素，结合建筑物的排水需求和楼层承载力情况，综合得出生物滞留池2的长宽高、过滤雨水收集管道3的直径、排水盲管2-5的直径和过滤雨水收集管道3的尺寸。
覆盖层2-1以上、生物滞留池2的四周边壁顶端需要高于覆盖层2-1，防止填料因为雨水冲刷等因素溢出生物滞留池2。
(3)布置方式
确定需要处理汇集雨水的屋面，生物滞留池2布置在尽量靠近且低于此屋面高程的屋面上有利于减少雨水输送的距离，降低在管道运输过程中产生的污染。
连接排水盲管2-5和生物滞留池2所在屋顶附近的管道，将此管道作为过滤雨水收集管道3。若无已有管道，则需要外加一条管道，作为过滤雨水收集管道3。过滤雨水收集管道3根据处理雨水的用途，通往各处，如储水罐、水池、地下管网等。
实施例2
下面结合具体的实例、公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
(1)确定生物滞留池2的布置位置；
在布置生物滞留池2时，根据需要处理的屋面雨水地点以及错层建筑的楼层分布，确定生物滞留池2所处理的雨水区域和布置位置。将生物滞留池2布置在较高层楼层的高层屋面排水管1的末端下方，若场地限制，在高层屋面排水管1的末端下方无法放置生物滞留池2，则需要外加管道或对高层屋面排水管1进行适当改造，将高层屋面排水管1中的雨水引至生物滞留池2位置。
(2)确定生物滞留池2的尺寸；
生物滞留池2处理的屋顶面积为S，屋顶的排水管道数量为n，根据历史气候等因素确定错层建筑物所处的地区降雨量计算值为d mm/h；根据该错层建筑的屋面材料情况，确定雨量径流系数和流量径流系数ψ；根据生物滞留池2中的种植土壤确定土壤渗透系数k和水力坡降值i。
根据达西定律计算生物滞留池2的过流断面面积理论值为：
根据较低层屋面的面积等因素适当调整生物滞留池2的过流断面面积值和长宽值。
(3)设计生物滞留池2内部填料；
生物滞留池2的填料共分为四层，自上而下分别为覆盖层2-1、过滤层2-2、过渡层2-3和排水层2-4。覆盖层2-1以上、生物滞留池2的四周有0.1m的高度，防止填料因为雨水冲刷等因素溢出生物滞留池2。四层填料的厚度和具体材料如下：
①覆盖层2-1：作用是①保护生物滞留池的填料(包括过滤层2-2、过渡层2-3、排水层2-4、排水盲管2-5)和植物2-6，防止雨水冲刷导致填料变形和水土流失；②保证土壤有足够的含水率，植物更好地生长；③潮湿的土壤环境也能使微生物可以更有效地进行生物化学反应，提高净水效果。本实施例中覆盖层2-1的材料选用树皮、树叶、细砂，均匀铺设于生物滞留池表面，厚度为0.1m。
②过滤层2-2：是填料中最重要的一层，过滤层2-2中含有种植土壤、微生物，主要作用是①生物滞留池2的过滤、净化、吸附、降解功能基本在此层完成；②植物根系一般埋于此层，因此过滤层2-2为植物提供良好适合的生长环境。根据错层建筑所处的地理位置和水质处理指标，确认过滤层2-2的具体材料。
在本实施例中，生物滞留池2针对处理Pb、NOx、SOx、固体悬浮颗粒等污染物，因此填料选择90％的基础介质，包含1/3砂，1/3泥炭和1/3的有机质(木屑和树叶堆肥)，另外10％添加水混凝铝污泥、粉煤灰、沸石，增加对N、P的处理和固体悬浮颗粒的吸附作用。厚度为1m。
③过渡层2-3：作用是①防止过滤层2-2中的填料进入排水层2-4造成管道堵塞和水土流失，保护排水层2-4中的排水盲管2-5；②均匀传递从过滤层向下传递的压力。本实施例选择细砂或细砾石填充此层，厚度设为0.1m。
④排水层2-4：作用是①排出经过生物滞留池2过滤的雨水；②排水盲管2-5铺设在排水层2-4中，因此排水层2-4还具有保护排水盲管的作用，如避免外形尖锐的污染物对排水盲管2-5的切割；在本实施例中，排水层2-4厚度设为0.3m，填充粒径小于50mm的砾石。
以上填料的厚度和材料需要根据错层建筑的雨水水质处理参数确定，本实施例不做限制。
(4)计算排水盲管2-5尺寸。排水盲管2-5的作用是保持水土平衡，排出设备中多余的水。排水盲管2-5的计算过程如下：
生物滞留池2的最大过滤流量Qmax：
式中，Qmax——最大过滤流量；
Ksat——渗透系数；
L——池底长；
Wbase——池底宽；
hmax——最大表面滞蓄水深；
d——过滤层深度。
穿孔排水管最大过流流量Qperf，
Qperf＝B×Cd×Ao×(2×g×h)0.5 (3)
式中，Qperf——穿孔排水管流量；
B——堵塞系数；
Cd——孔口出流系数；
Ao——孔口总面积；
g——重力加速度；
h——管道上方最大水深。
Qperf＞Qmax，计算出盲管半径最小值。参考现有的排水盲管2-5和盲管的制作工艺，选择合适尺寸。为了使排水盲管2-5能更好地排水，需要将排水盲管2-5铺设有一定坡度，远离出口一侧抬高，靠近出口一侧降低。
(5)选择种植植物2-6。不同的植物对于污染物的去除功能不同，甚至有些差异显著。本实施例在天津，供选择植物为狼尾草、芦苇、香蒲、美人蕉、茭白、慈姑、鸢尾、风车草、菖蒲、宽叶香蒲、黑三棱、马唐、马蔺等。根据错层建筑所在区域的气候、土壤情况、雨水处理指标，具体确定植物种类和配比，本实施例不做限制。
(6)连接排水盲管2-5和生物滞留池2所在屋顶附近的管道，将此管道作为过滤雨水收集管道3。若无已有管道，则需要外加一条管道，作为过滤雨水收集管道3。过滤雨水收集管道3根据处理雨水的用途，通往各处，如储水罐、水池、地下管网等。
实施例3
下面结合具体的实验数据对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：天津大学北洋园校区43楼四层D区天台总面积约为800m2，设计生物滞留池2的长度为10m，宽度为6m，高度为1.7m，总计需要6个生物滞留池2。
结合填料的实验结果，理论上采用本发明实施例设计的屋面垂直流生物滞留池，雨水中的TN(总氮)和TP(总磷)的去除率可分别高达80％以上。通过该实验数据验证了本发明实施例设计的屋面垂直流生物滞留池的可行性，满足了实际应用中的多种需要。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种屋面垂直流生物滞留池，其特征在于，所述屋面垂直流生物滞留池包括：高层屋面排水管、生物滞留池、以及过滤雨水收集管道，
所述高层屋面排水管，设置在建筑物的较高层屋面上，用于收集冲刷高层屋面的雨水，将雨水引流至生物滞留池；
所述生物滞留池，设置在稍低高层的屋面上，用于对雨水进行净化、过滤；
所述过滤雨水收集管道，用于收集净化、过滤后的雨水，若过滤后的雨水不符合水质要求，继续收集排往更低一层屋面上布置的另一个生物滞留池，进一步进行水质净化；
若符合水质要求，根据后期使用需求，过滤雨水收集管道中的雨水通过管道流往储水设备储存待用、流至地下管网或直接补给地下水。
2.根据权利要求1所述的一种屋面垂直流生物滞留池，其特征在于，所述生物滞留池包括：覆盖层、过滤层、过渡层、排水层、排水盲管、植物、以及溢流管道。
3.一种用于屋面垂直流生物滞留池的错层布置方法，其特征在于，所述错层布置方法包括以下步骤：
在错层建筑物的楼层之间布置屋面垂直流生物滞留池，
所述屋面垂直流生物滞留池在不占用地面面积的基础上，处理冲刷错层建筑屋面的雨水水质，有效利用雨水，降低雨水排放污染程度，同时有利于错层建筑物的绿化。
4.根据权利要求3所述的一种用于屋面垂直流生物滞留池的错层布置方法，其特征在于，所述在错层建筑物的楼层之间布置屋面垂直流生物滞留池具体为：
根据需要处理的屋面雨水地点以及错层建筑的楼层分布，确定生物滞留池所处理的雨水区域和布置位置；
将生物滞留池布置在较高层楼层的高层屋面排水管的末端下方，若场地限制，则需外加管道或对高层屋面排水管进行改造，将高层屋面排水管中的雨水引至生物滞留池位置。
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